楊立軍,彭文鶴,劉禮威,呂晨

(湖南文理學(xué)院 芙蓉學(xué)院,湖南 常德,415000)

面內(nèi)單剪試驗是一種測試物體粘結(jié)性能常見的試驗,通過給2種相互粘結(jié)的物體施加面內(nèi)剪力,測試物體間的相對位移和應(yīng)力,觀察試件破壞表征,可以對其粘結(jié)性能進行研究。鋁合金材料具有耐腐蝕、密度小和變形性能好的優(yōu)點[1],高強鋁合金6061-T6的強度達到250 MPa,因此鋁合金材料特別適合侵蝕環(huán)境的建筑物和構(gòu)筑物,尤其適合既有混凝土結(jié)構(gòu)的加固[2]。目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對鋁合金材料加固的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行了研究:RASHEED HA等[3]、柳紅濱[4]、涂桂剛[5]和宋啟璽[6]對鋁合金材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受彎性能、Abdalla JA等[7-8]、ObeidahAA[9]和Abu-Obeidah A等[10]對鋁合金材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受剪性能進行了試驗和理論研究。鋁合金和混凝土2種材料之間的粘貼性能是鋁合金材料加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工作性能的基礎(chǔ),因而其粘結(jié)性能研究就顯得很有必要。目前FRP和混凝土的粘結(jié)性能得到了較充分的研究[11-15],而鋁合金板和混凝土的粘結(jié)性能研究相對較少。為了研究鋁合金板和混凝土的粘結(jié)性能,設(shè)計了一套用于面內(nèi)單剪試驗的試件固定裝置,進行了8個不同粘結(jié)長度的鋁合金板與混凝土的粘結(jié)試件的面內(nèi)單剪試驗。

1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由試件固定裝置、WAW-600微機控制電液伺服萬能試驗機和測量系統(tǒng)組成。

為了便于施加面內(nèi)剪力,設(shè)計了一套試件固定裝置。試件固定裝置制作材料為Q235鋼,設(shè)計圖如圖1所示,實物圖如圖2所示。

試件固定裝置豎向鋼板固定在WAW-600微機控制電液伺服萬能試驗機臺座夾具中,試件放置在試件固定裝置兩塊水平鋼板之間,旋緊螺桿上的螺栓將其固定,鋁合金板從試件固定裝置上方水平鋼板空洞部分伸出固定在試驗機夾具中,通過試驗機對鋁合金板施加軸心拉力。試件安裝時只需試件位于試件固定裝置空洞部分左側(cè)鋼板下,鋁合金板緊貼空洞左側(cè)鋼板壁,即可保證鋁合金板、試件固定裝置豎向鋼板和試驗機上方夾具在同一豎向面上,從而保證了鋁合金板軸心受拉。試件安裝示意圖如圖3所示。試驗機上夾具通過鋁合金板對試件以0.2 mm/min單調(diào)加載,直至試件剝離破壞,試件加載如圖4所示。

測量系統(tǒng)由位移計、應(yīng)變片和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。位移計附設(shè)于粘貼在鋁合金板自由端的L形鋼片上,測量鋁合金板板端位移,如圖3所示;電阻應(yīng)變片粘貼在鋁合金板縱軸表面上,測量鋁合金板軸向應(yīng)變,如圖5所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DH3821靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變測試分析系統(tǒng),采集試驗中應(yīng)變信號和位移信號,力信號由試驗機內(nèi)嵌的測量系統(tǒng)提供。

2 試件參數(shù)

混凝土棱柱體尺寸為100 mm×100 mm×510 mm,C35混凝土,標準養(yǎng)護28 d后對鋁合金板粘貼區(qū)域打磨;6061-T6鋁合金板寬度b×厚度t＝ 45 mm×4 mm,與混凝土粘貼長度l分別為25,50,75,…,200 mm,考慮到鋁合金板自由端長度150 mm,鋁合金板長度分別為175,200,225,…,350 mm。由廠方提供的參數(shù),JN建筑結(jié)構(gòu)膠抗拉、抗彎和抗壓強度分別為36、65和92 MPa。將鋁合金板打磨后均勻涂抹JN建筑結(jié)構(gòu)膠,均勻擠壓粘貼在混凝土棱柱體表面,待結(jié)構(gòu)膠從板下徐徐流出填滿鋁合金板與混凝土間隙后停止擠壓,將試件靜置干燥3 d,結(jié)構(gòu)膠達到設(shè)計強度,做成面內(nèi)單剪試件,如圖6所示。由于鋁合金板粘貼長度變化,試驗共有8個試件,將粘貼長度l＝ 25,50,75,…,200 mm的試件分別命名No.1～No.8。各試件參數(shù)如表1所示。

表1 試件參數(shù)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 剝離破壞形式

試件發(fā)生混凝土層剝離破壞,棱柱體粘貼區(qū)域內(nèi)表層混凝土被撕裂,粘貼在結(jié)構(gòu)膠上,如圖7所示。連接發(fā)生的是材料破壞,而不是連接面的滑離破壞,這證明了用鋁合金板加固混凝土結(jié)構(gòu)的可行性。

3.2 極限粘結(jié)荷載

面內(nèi)單剪試驗得到的8個試件極限粘結(jié)荷載Fu如表2所示。在表2中,極限粘結(jié)荷載增長值ΔF為該試件的極限粘結(jié)荷載與粘貼長度比其小25 mm的試件的極限粘結(jié)荷載的差,如No.2列的2.36為No.2與No.1極限粘結(jié)荷載的差,即5.87 kN-3.51 kN ＝ 2.36 kN。由表2可知,極限粘結(jié)荷載Fu隨著粘貼長度l的增大而增大,極限粘結(jié)荷載增長值ΔF隨著粘貼長度l的增大而減小。說明粘貼長度越大,結(jié)構(gòu)膠層傳遞剪力的能力有效度變小,粘貼長度存在1個有效粘貼長度。其中No.6的極限粘結(jié)荷載相對于No.5小0.31 kN,可以理解為試驗誤差。

表2 試件極限粘結(jié)荷載

3.3 粘結(jié)荷載-位移曲線

試件的粘結(jié)荷載F—位移s曲線如圖8所示。粘結(jié)荷載F指試驗機施加給鋁合金板的軸向力,由試驗機提供;位移s是鋁合金板端位移計所測位移。由圖8可知,隨著粘貼長度的增大,極限粘結(jié)荷載(即圖中曲線頂點縱坐標值)增大;隨著粘結(jié)荷載的增大,曲線向水平軸靠攏,斜率減小,試件抵抗荷載能力變小。

3.4 剪應(yīng)力分布曲線

如圖6所示面內(nèi)單剪試驗試件,以鋁合金板左端橫截面中心(即鋁合金板自由端)為坐標原點O,縱軸線為x軸,取出長度dx的鋁合金板,設(shè)鋁合金板正應(yīng)力σ,粘貼區(qū)域剪應(yīng)力τ,得到圖9所示鋁合金板微元體受力圖,在x軸方向建立平衡方程,有

對式(1)進行化簡,可得

鋁合金材料不是彈性材料,考慮到本次試驗鋁合金材料受力較小,近似設(shè)鋁合金板本構(gòu)關(guān)系符合胡克定律,由第i個應(yīng)變片讀數(shù)εi和第i+1個應(yīng)變片讀數(shù)εi+1,可以得到這2個應(yīng)變片間的平均粘結(jié)剪應(yīng)力τi表達式為

式中:E為鋁合金彈性模量,通過對本次試驗的鋁合金材料的拉伸試驗測得E＝ 69.0 GPa;Δi,i+1為相鄰應(yīng)變片距離,Δi,i+1=25 mm;應(yīng)變片從鋁合金板加載端開始計數(shù),其應(yīng)變片i＝ 1,與其相鄰應(yīng)變片i＝ 2,以此類推,鋁合金板自由端應(yīng)變片取得最大值。

忽略第i個和i+1個應(yīng)變片間的粘結(jié)剪應(yīng)力變化,即設(shè)其粘結(jié)剪應(yīng)力τ為平均粘結(jié)剪應(yīng)力τi。由式(3)可得各試件的剪應(yīng)力分布曲線,圖10給出了粘貼長度l＝ 200 mm的試件在粘結(jié)荷載F分別為極限粘結(jié)荷載Fu的0.2、0.4、0.6、0.8、1.0倍時的剪應(yīng)力分布曲線,圖中x是指該點相對加載端應(yīng)變片的距離。

由圖10可知:(1)曲線呈倒“U”形分布,加載端剪應(yīng)力為0,此后鋁合金板內(nèi)力通過結(jié)構(gòu)膠層向混凝土轉(zhuǎn)移,剪應(yīng)力相應(yīng)變大,在距加載端一定距離后取得最大值。此后隨著由于傳遞路線過長,剪應(yīng)力變小,繼而剪應(yīng)力逐漸變?yōu)?;(2)隨著粘結(jié)荷載變大,膠結(jié)層內(nèi)力發(fā)生重分布,剪應(yīng)力峰值點和0值點向自由端移動,參與受力的膠層長度變大。當(dāng)達到極限粘結(jié)荷載時,參與受力的膠層長度達到最大值,圖中為175 mm,小于粘貼長度200 mm,說明粘貼長度存在一個有效粘貼長度,遠于有效粘貼長度的膠層不參與受力。

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)鋁合金板與混凝土的面內(nèi)單剪試驗,設(shè)計了一套試件固定裝置,試件安裝時只需試件位于試件固定裝置空洞部分左側(cè)鋼板下,鋁合金板緊貼空洞左側(cè)鋼板壁,即可保證鋁合金板、試件固定裝置豎向鋼板和試驗機上方夾具在同一豎向面上,從而保證了鋁合金板軸心受拉。通過鋁合金板與混凝土的面內(nèi)單剪試驗,得到如下結(jié)論:

(1)試件發(fā)生混凝土層剝離破壞,證明了用鋁合金板加固混凝土結(jié)構(gòu)的可行性;

(2)隨著粘貼長度的增大,極限粘結(jié)荷載增大,但結(jié)構(gòu)膠層傳遞剪力的能力有效度變小,粘貼長度存在一個有效粘貼長度;

(3)隨著粘結(jié)荷載的增大,粘結(jié)荷載—位移曲線斜率減小,試件抵抗荷載能力變小;

(4)剪應(yīng)力分布曲線呈倒“U”形分布。加載端剪應(yīng)力為0,此后剪應(yīng)力逐漸變大,由于傳遞路線過長,距加載端一定長度后剪應(yīng)力變?yōu)?。